3. Оборудование, приспособления и материалы для организации поста электродуговой сварки и его планировка.

Сварка-процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. В зависимости от вида энергии, применяемой при сварке, различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический (ГОСТ 19521-74).

К термическому классу относятся сварки, осуществляемые плавлением, т.е. местным расплавлением соединяемых частей с использованием тепловой энергии. Представителями этого класса являются дуговая, плазменная, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная, газовая и другие сварки. К термомеханическому классу относятся виды сварки, при которых используется тепловая энергия и давление: контактная, диффузионная, газопрессовая др. К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и др.

Наиболее применяемыми в промышленности и ремонтном производстве являются сварки термического класса и, в частности, электродуговая сварка. Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой, и представляющая собой мощный электрический разряд между проводниками в среде ионизированного газа, сопровождающийся большим выделением теплоты и света. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока, сварочные дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия (рис.9). Дуга прямого действия горит между электродом и деталью. При неплавящемся электроде (графитовом или вольфрамовом) соединение выполняется путем расплавления только основного металла 4, или с применением присадочного металла 1. При плавящемся электроде происходит одновременное расплавление основного металла и электрода.

Дуга косвенного действия горит между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается расплавляется теплотой столба дуги.

При сварке трехфазной дугой дуга горит между каждым электродом и основным металлом.

Рисунок 9 - Схемы дуговой сварки: а дуга прямого действия; б- дуга косвенного действия; в-трехфазная дуги, 1 - присадочный материал; 2 электрод; 3 - сварочная дуга: 4 - изделие (основной металл); Ме перенос капель металла; е - движение электронов

По роду тока различают сварочные дуги постоянного и переменного тока. В дугах переменного тока происходят непрерывные изменения направления и силы тока с частотой равной частоте тока. Для дуг постоянного тока характерны неизменность направления тока незначительные колебания его силы. При сварке на постоянном токе различают прямую и обратную полярность. Прямая полярность - это когда изделие подключено к положительной клемме источника тока, а электрод к отрицательной. Обратная полярность - это когда изделие подключено к отрицательной клемме источника тока, а электрод к положительной.

Род тока и полярность устанавливают в зависимости от вида свариваемого металла и его толщины. При сварке постоянным током обратной полярности на электроде выделяется больше теплоты. Поэтому обратную полярность применяют при сварке тонких деталей с целью предотвращения прожога, при наплавке и при сварке легированных сталей во избежание их перегрева. При сварке углеродистых сталей применяют переменный ток исходя из учета экономичности процесса.

Свойства сварочной дуги Сварочная дуга постоянного тока состоит из катодного пятна 2 которое образуется на электроде 1, столба дуги 3 и анодного пятна 4 которое образуется на изделии, если оно подключено к положительной клемме источника тока (рис.10). Самая высокая температура в центре дуги, по её оси 6000...7000 °С, на катоде 3200°С и на аноде 3900°С (при использовании угольных электродов); чуть меньше при использовании металлических электродов, соответственно 2400°С и 2600°С

Рисунок 10 - Схема сварочной дуги: 1 электрод; 2 - катодное пятно;3 - столб дуги; 4 - анодное пятно; 5 – изделие

Высокая температура и большая концентрация теплоты сварочной дуги позволяют практически мгновенно расплавлять небольшие объёмы металла электрода и изделия. При этом на аноде выделяется около 43% теплоты, на катоде 36%, и около 21% выделяется столбом дуги.

При электродуговой сварке на нагревание и расплавление металла расходуется 60...70% теплоты электрической дуги, остальная часть рассеивается в окружающем пространстве.

К основным параметрам, характеризующим свойства сварочной дуги, относятся напряжение, сила тока и длина дуги. Зависимость между напряжением и силой тока при постоянной длине дуги выражается её статической вольт-амперной характеристикой. Она может быть падающей 1, жёсткой 2 и возрастающей 3 (рис11.). Падающую характеристику имеют свободно горящие в воздухе или среде аргона дуги при силе тока до 100 А. Дугу с жёсткой характеристикой при силе тока 100 А и более применяют при ручной дуговой сварке и автоматической под флюсом. Изменение напряжения зависит только от длины дуги и не зависит от силы сварочного тока. Дугу с возрастающей характеристикой используют при газоэлектрической сварке плавящимся электродом и под слоем флюса на повышенных плотностях тока. Рисунок 11 - Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Рабочие места выделяют стационарные и нестационарные . При работе на нестационарных проводится, как правило, сварка мелких деталей, которые умещаются на столе. Они могут подаваться и убираться с места слесарями или самим сварщиком, тогда как специалист преимущественно должен находиться в кабине. Сварочный трансформатор в таком случае стоит в отдельной комнате. В нестационарных местах свариваются изделия больших размеров, которые лежат неподвижно.

От того, насколько правильно пройдет организация рабочего места сварщика ручной дуговой сварки, зависит эффективность и безопасность труда. Сюда также можно отнести факторы правильного размещения самого места и оборудования, различных приспособлений и инструментов, которые могут понадобиться во время работы.

Сварочное место сварщика может быть стационарным или мобильным. Стационарное подразделяется на однопостовое, в котором имеется место для одного сварщика, питающегося от одного трансформатора, и многопостовое, когда есть несколько кабин, которые питаются от одного источника. На общем щите должны находиться измерительные приборы, различные средства защиты, рубильники, сигнальные лампы, зажимы для подключения новых постов и прочее. Для индивидуального места предусматривается свой щит с сигнальной системой и измерительными приборами. Организация рабочего места сварщика полуавтоматической сварки, в которой используется в качестве защиты газ, требует дополнительной вентиляции.Передвижное нестационарное место может служить как для газовой, так и для электрической сварки. При использовании трансформатора он может находиться как внутри здания, так и снаружи. При газовой сварке все является полностью мобильным.(рис. 12)

Рисунок 12 - Планировка сварочной кабины: 1- Источник питания дуги ; 2-заземление; 3- пусковой источник питания; 4 ,5- прямой и обратный токопроводящие провода; 6- стол; 7- вентилятор; 8-коврик ; 9- электроды; 10- щиток; 11- электродержатель; 12- стул; 13 -ящик для отходов; 14 - дверной приём..

Источники питания сварочной дуги. Дуговую сварку можно проводить на переменном и постоянном токах. Источниками переменного тока для сварки являются трансформаторы, а постоянного тока выпрямители и генераторы. Трансформатор - это электрический аппарат, предназначенный для преобразования одного переменного напряжения в другое напряжение той же частоты (рис.13)

Рисунок 13 - Внешний вид и основные сборочные единицы и детали сварочного трансформатора (а) и схема (б): 1- сердечник; 2- первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка, h- зазор между обмотками

Работа трансформатора основана на электромагнитном взаимодействии двух, не связанных между собой, обмоток провода. На практике широко применяют сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеиванием. Такие трансформаторы состоит из корпуса, внутри которого расположены магнитопровод стержневого типа 1, на обоих стержнях которого расположены по две катушки: одна с первичной обмоткой 2, а вторая с вторичной обмоткой 3. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника, катушки вторичной обмотки перемещаются по стержням с помощью рукоятки и передачи «ходовой винт-гайка». Сварочный ток регулируют изменением расстояния h между первичными и вторичными обмотками, При увеличении этого расстояния магнитный поток рассеяния возрастает, а сварочный ток уменьшается. При уменьшении расстояния между обмотками сварочный ток увеличивается.

Сварочные выпрямители преобразуют переменный ток промышленной частоты в постоянный с напряжением и величиной, необходимой для сварки (рис.14).

Рисунок 14 – Внешний вид и основные сборочные единицы и детали сварочного выпрямителя: 1- выпрямительный блок; 2- ручки: 3 - предохранители; 4 – блок аппаратуры; 6- реле; 7- трансформатор: 8- вторичная обмотка; 9- первичная обмотка; 10- амперметр; 11- лампа; 12 - копки управление: 13 - скобы; 14 - рукоятка; 15 - переключатель; 16 - шины заземления; 17 – токовые разъёмы: 18 - болт заземления; 19 - штепсельный разъём

Они состоят из двух основных блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока. Кроме того, выпрямитель имеет пускорегулирующее и защитное устройства, обеспечивающие нормальную его эксплуатацию. Выпрямление тока производится с помощью полупроводниковых элементов (селеновых или кремниевых вентилей), которые проводят ток только в одном направления. Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме, состоящей из шести плеч. Выпрямитель имеет два диапазона регулирования сварочных токов. Ступенчатая регулировка тока обычно выполняется путем переключения первичных обмоток трансформатора с «треугольника» на «звезду». Внутри каждого диапазона плавное регулирование сварочного тока производится изменением расстояния Между обмотками сварочного трансформатора.

Все источники питания должны обеспечивать возможность короткого замыкания, надёжность зажигания и горения дуги, возможность регулирования сварочного тока и быть безопасными в работе. Зажигание и горение дуги зависят от внешней вольт-амперной характеристики источника питания дуги, представляющей собой графическое изображение зависимости напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Они могут быть следующих видов (рис.15 ): крутопадающая 1, пологопадающая 2, жёсткая 3 и возрастающая 4.

Рисунок 15 - Внешние вольт-амперные характеристики источников питания дуги

При выборе источника тока необходимо согласовать его характеристику со статической вольт-амперной характеристикой сварочной дуги. Взаимосвязь статической характеристики дуги 1 и внешней вольт-амперной характеристики источника питания дуги 2 (рис.16).

Рисунок 16 - Совмещение вольт-амперных характеристик: статической дуги 1 и внешней источника питания 2.

Точка А соответствует режиму устойчивого горения дуги (напряжение и сила тока 14); точка в напряжению зажиганию дуги (U) при силе тока /, точка С-режиму холостого хода (U) источника питания в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута ( I= 0); точка D-режиму короткого замыкания (1.) электрода и детали (U=0). Область термического влияния подразделяется на участки 1-6, характеризующие структурные изменения в основном металле на различном расстоянии от сварного шва, а также распределение температуры в процессе сварки.

Электроды для дуговой сварки. При проведении электросварочных работ применяют плавящиеся и неплавящиеся электроды. К неплавящимся электродам относятся угольные, графитовые и вольфрамовые электроды. Их применяют для резки металлов, удаления прибылей и дефектов отливок, сварных швов и для сварки металлов. Чаще используют плавящиеся электроды из стали, чугуна и цветных металлов и сплавов. Их изготавливают в виде проволоки, лент, порошковой проволоки, прутков и стержней с покрытием и без покрытия. Плавящиеся электроды для дуговой сварки изготавливают из сварочной проволоки диаметром 1,6... 12,0 мм и длиной 150...450 мм. (рис. 17). На проволоку наносят покрытие, в состав которого входят следующие компоненты: -ионизирующие, повышающие устойчивость горения дуги - мел, полевой шпат, графит и др.;

- газообразующие, создающие газовую оболочку, защищающую расплавленный металл от кислорода и азота воздуха мрамор, магнезит, древесная мука, целлюлоза и др.;

-шлакообразующие, образующие шлаковые оболочки, защищающие расплавленный металл от кислорода и азота воздуха и частично очищающие его полевой шпат, мел, кварцевый песок, марганцевая и титановая руда, кремнезём и др.;

-раскисляющие, раскисляют расплавленный металл сварочной ванны марганец, кремний, титан, алюминий и др.

-легирующие, придающие металлу шва необходимые свойства - ферросплавы, хром, никель, титан, вольфрам, молибден, марганец и др.

Рисунок 17- Электрод покрытый: 1 стержень; 2 участок перехода; 3- покрытие: 4 контактный конец без покрытия; d-диаметр стержня (электрода); D диаметр электрода с покрытием

Электроды классифицируют по назначению, механическим свойствам, толщине и виду покрытия, качеству, положению при сварке, по полярности применяемого тока и др.

По назначению различают электроды: У для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей; Л - для сварки легированных сталей; Т для сварки легированных теплоустойчивых сталей; В для сварки высоколегированных сталей; Н для наплавки.

По механическим свойствам или химическому составу электроды делят на типы. Покрытые электроды обозначают буквой Э, и далее идут цифры, означающие предел прочности наплавленного металла б_в в кг/мм³. Характеристики наплавленного металла и металла шва указываются группой цифр (предел прочности, относительное удлинение, группа по температуре хрупкости).

По толщине покрытия (П = D/d) электроды подразделяются на четыре группы: М-с тонким покрытием (П≤1,2); С со средним покрытием (1,2 ‹П≤1,45); Д-с толстым покрытием (1,45<П≤1,8); Г-с особо толстым покрытием (П>1,8).

По требованиям к точности изготовления электродов и качеству наплавленного металла электроды делятся на три группы: 1, 2 и 3. Чем выше номер группы, тем лучше качество.

Покрытие электродов (вид покрытия) бывает кислое А, основное Б, целлюлозное Ц, рутиловое Р и прочее П.

Допустимое пространственное положение электродов при сварке обозначают цифрами: 1 - для всех положений; 2 для всех положений, кроме вертикального; 3 - для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального снизу вверх: 4 – для нижнего.

По роду и полярности применяемого тока, а также по напряжению холостого хода источника питания электроды обозначают цифрами от 0 до 9. Например, 0 для постоянного тока обратной полярности: 4 - для постоянного тока любой полярности (рис.18).

Рисунок 18- Структура условного обозначения электрода: 1-тип; 2 - марка; 3- диаметр, мм: 4 назначение электрода; 5 - толщина покрытия; 6 группа электродов; 7 - группа знаков, указывающих характеристики наплавленного металла и метала шва; 8 - вид покрытия: 9 - допустимое пространственное положение при сварке или наплавке: 10 - род применяемого тока, полярность постоянного тока и номинальное напряжение холостого хода источника питания; 11, 12 обозначение стандартов.

Например, электрод типа Э46А по ГОСТ 9466-75, марки УОНИИ-13/45, диаметром 3 мм, для сварки углеродистых и низколегированных сталей (У), с толстым покрытием (Д), 2-й группы, с установленной по ГОСТ 9467-75 группой знаков 432(5), с основным покрытием (Б), для сварки во всех пространственных положениях (1), на постоянном токе обратной полярности (0):

ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75. Такое обозначение приводится на этикетках коробок, пачек и ящиков с электродами, а в конструкторской и технологической документации: электрод УОНИИ-13/45-3,0 ГОСТ 9466-75 Ручная дуговая сварка. Качество и производительность сварки зависит от режима сварки. При ручной дуговой сварке основными элементами режима сварки является диаметр электрода , сила сварочного тока , напряжение на дуге и скорость сварки . Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины спариваемых деталей при сварке стыковых соединений (табл. 1) и размера катета шва при сварке угловых и тавровых соединений (табл. 2).

Материал электрода выбирается в зависимости от химического состава свариваемого металла. При выборе типа электрода следует руководствоваться ГОСТ 9467-75. В нем предусмотрено девять типов электродов: 338, 342, 942Л. 346, 346А, 350, 350А, 355, 360, Первые 7 применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 500 МПа, электроды 355 и 360 для сварки сталей с временным сопротивлением от 500 до 600 МПа. Для сварки легированных сталей с временным сопротивлением свыше 600 МПа используют электроды Э70, 3150. Тип электрода выбирают таким образом, чтобы прочность металла шва и прочность основного металла были примерно равны. Например, если у основного ,то следует выбирать металла с Э50 или Э50А.

Таблица 1 - Соотношение между диаметром электрода (D_э,,) и толщиной свариваемого мталла (S)

S,мм	1…2	2…5	5…10	Свыше 10
Dэ,мм	2-3	3-4	4-6	6

. Таблица .2 - Соотношение между диаметром электрода D_э и h мм

h,мм	3	4…5	6…9
Dэ,мм	3	4	5